并聯(lián)混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究*

張　允侯麗華張黎黎梁春輝

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130021）

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并聯(lián)混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究*

張?jiān)?,2侯麗華1張黎黎2梁春輝1

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130021）

【摘要】針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車（PHEV）工作狀態(tài)切換過(guò)程中面臨的多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，從多角度對(duì)其多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整車控制模型，提出了HEV整車控制器硬件電路總體設(shè)計(jì)方案，并搭建了HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)。基于所設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)臺(tái)架，分別針對(duì)應(yīng)用多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)前、后的整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、SOC平衡性及排放特性進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了并聯(lián)混合動(dòng)力汽車多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)的有效性。

1　前言

因并聯(lián)混合動(dòng)力汽車（PHEV）的動(dòng)力耦合系統(tǒng)具有部件繁多且呈強(qiáng)非線性的特征，在汽車狀態(tài)切換過(guò)程中,動(dòng)力耦合系統(tǒng)各部件的高效工作區(qū)和工作特性與控制需求差異較大，所以即便各單一部件達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)也未必會(huì)使得整體系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。且對(duì)于各單一部件而言，其各子控制目標(biāo)之間亦可能相互補(bǔ)充、相互獨(dú)立甚至可能是相互沖突的，故如何根據(jù)整車實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，對(duì)各控制目標(biāo)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)控制，以期在滿足車輛動(dòng)力性需求的前提下，使SOC在規(guī)定范圍內(nèi)變化，達(dá)到油耗最低、排放最少，已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2　混合動(dòng)力汽車多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型

實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車狀態(tài)切換過(guò)程中車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、電池SOC平衡性及排放性能的多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制，實(shí)質(zhì)上是在給定約束條件下，針對(duì)多種競(jìng)爭(zhēng)性目標(biāo)進(jìn)行折衷，求各子目標(biāo)函數(shù)相對(duì)最優(yōu)解的過(guò)程［1-4］。

多目標(biāo)函數(shù)方程為：

約束條件為：式中，Vdk（x）為各采樣點(diǎn)處需求車速函數(shù)；Vtk（x）為各采樣點(diǎn)處實(shí)際車速函數(shù)；n為采樣點(diǎn)數(shù)；Vdiff（x）為車速差均值目標(biāo)值函數(shù)，本文中Vdiff＜0.2表明車輛動(dòng)力性較好；qdk（x）為期望燃油消耗函數(shù)；Vdifff（x）為燃油消耗差均值函數(shù)；SOCk（x）為采樣點(diǎn)處SOC實(shí)際值函數(shù)；SOCm（x）為SOC平衡值函數(shù)；ΔSOCm（x）為SOC實(shí)際值與平衡值之差均值的目標(biāo)值函數(shù)和

fNOx（x）為行駛過(guò)程中尾氣排放函數(shù)為反映各目標(biāo)參數(shù)重要程度的權(quán)值，需根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整；h（·）（x）為與各子目標(biāo)對(duì)應(yīng)的約束函數(shù)；為所考慮模型的n個(gè)與車速、加速度、功率相關(guān)的決策變量；HEVd為燃油消耗目標(biāo)值；ΔSOCm為SOC實(shí)際值與平衡值之差的均值的目標(biāo)值，ΔSOCm越小，說(shuō)明SOC波動(dòng)越小，平衡性越好；mHC、mCO、mNOx為行駛過(guò)程中尾氣排放目標(biāo)值。

3　混合動(dòng)力汽車多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制策略

3.1HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制算法

為解決混合動(dòng)力汽車狀態(tài)切換過(guò)程中面臨的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，需制定多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制策略。首先根據(jù)采集到的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池等運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷混合動(dòng)力汽車是否滿足狀態(tài)切換的條件，如果不滿足條件，則直接根據(jù)當(dāng)前混合動(dòng)力汽車運(yùn)行狀態(tài)確定發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；如果滿足條件，則向動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法發(fā)出狀態(tài)切換請(qǐng)求，進(jìn)入狀態(tài)切換子程序。由于并不是所有的狀態(tài)切換過(guò)程都需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，因此需進(jìn)一步判斷進(jìn)行狀態(tài)切換的系統(tǒng)是否滿足協(xié)調(diào)控制的條件，若滿足條件，則進(jìn)入多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制子程序。因多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制算法的控制目標(biāo)是在滿足車輛動(dòng)力性需求的前提下，故首先對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行綜合分析，然后在此基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型，并確定對(duì)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生影響的各因素的指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)權(quán)重求出優(yōu)化模型中各目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)最優(yōu)解，獲得優(yōu)化結(jié)果。動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法流程及多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制子程序流程分別如圖1和圖2所示。

圖1　動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法流程

圖2　多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制子程序流程

3.2HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整車控制模型

結(jié)合HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制策略建立混合動(dòng)力汽車多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整車控制模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　HEV多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整車控制模型

圖3中，工作模式數(shù)據(jù)處理模塊的功能是針對(duì)實(shí)測(cè)工作模式設(shè)定采樣時(shí)間段，計(jì)算該采樣時(shí)間段內(nèi)工作模式的特征參數(shù)，然后對(duì)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（如異常點(diǎn)去除、去毛刺等），最終將處理后的特征參數(shù)數(shù)據(jù)輸出給工作模式識(shí)別模塊。工作模式識(shí)別模塊的功能是以采樣時(shí)間段為區(qū)間對(duì)特征參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)預(yù)測(cè)識(shí)別，進(jìn)而實(shí)時(shí)判斷有無(wú)工作模式切換發(fā)生，并預(yù)測(cè)識(shí)別出系統(tǒng)所切換到的工作模式。多目標(biāo)優(yōu)化控制模塊的功能是判斷狀態(tài)切換過(guò)程是否需要?jiǎng)討B(tài)協(xié)調(diào)控制，若需要協(xié)調(diào)控制，則結(jié)合多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制算法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)油門開(kāi)度、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等控制信號(hào)并傳送給整車動(dòng)力學(xué)模型，以完成車輛的動(dòng)態(tài)仿真。

4　基于dSPACE的多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

4.1HEV整車控制器硬件電路總體設(shè)計(jì)方案

整車控制器（HCU）性能的好壞將直接決定HEV能否達(dá)到理想的控制目標(biāo)，其主要功能是采集駕駛員的相關(guān)操作信息，通過(guò)CAN總線獲得整車行駛狀態(tài)信息以及電機(jī)、電池等其它電控系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合控制策略對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，將相應(yīng)結(jié)果以控制命令或數(shù)據(jù)形式通過(guò)CAN總線發(fā)送給各外部子ECU（電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和電池控制器等）。各電控系統(tǒng)的微控制器單元根據(jù)所接收到的信息執(zhí)行相應(yīng)的操作與處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車的合理控制和對(duì)整車動(dòng)力及能量的有效分配。基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)的硬件電路包括MCU最小系統(tǒng)模塊、輸入/輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)處理電路、輸入/輸出模擬信號(hào)處理電路、輸入/輸出脈沖信號(hào)處理電路、CAN總線通訊模塊及SCI串行口通信模塊［5～11］等。整車控制器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示。

圖4　整車控制器結(jié)構(gòu)原理框圖

4.2混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

硬件在環(huán)仿真技術(shù)是當(dāng)今汽車電子開(kāi)發(fā)普遍采用的技術(shù)手段，該項(xiàng)技術(shù)在測(cè)試和驗(yàn)證被開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的控制策略及運(yùn)行可靠性的同時(shí)，還能有效降低試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)周期［12］。圖5為混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)，該平臺(tái)是由計(jì)算機(jī)、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、駕駛室仿真器、HCU以及其它外圍通訊測(cè)試設(shè)備共同組成的一個(gè)閉環(huán)開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)［13］。其中，計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，dSPACE的作用是將從駕駛室仿真器發(fā)送來(lái)的駕駛員操控信息轉(zhuǎn)換為HCU可以接受的開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)與脈沖信號(hào)，同時(shí)對(duì)HCU發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行采樣，并接收由HCU發(fā)送的CAN總線通信信號(hào),以實(shí)現(xiàn)該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的閉環(huán)仿真。

圖5　硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

4.3混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)研究

完成了硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)的搭建后，將設(shè)計(jì)的整車控制模型導(dǎo)入dSPACE中，將控制軟件安裝在HCU中,進(jìn)一步對(duì)整車控制器的控制功能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)應(yīng)用協(xié)調(diào)控制策略前、后的整車性能進(jìn)行比較、驗(yàn)證。

4.3.1協(xié)調(diào)控制前、后整車動(dòng)力性試驗(yàn)對(duì)比

協(xié)調(diào)控制前、后整車動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6　協(xié)調(diào)控制前、后整車動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果比較

由圖6a可看出，協(xié)調(diào)控制前車速變化連續(xù)性較差，協(xié)調(diào)控制后車速變化連續(xù)性明顯改善；由圖6b可看出，經(jīng)協(xié)調(diào)控制后加速度變化的平滑性明顯優(yōu)于未經(jīng)協(xié)調(diào)控制時(shí)的變化情況，說(shuō)明此時(shí)駕駛員行車過(guò)程中受到的沖擊減小，整車動(dòng)力性及駕駛舒適性均得到提高。

4.3.2協(xié)調(diào)控制前、后發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)和電機(jī)工作點(diǎn)對(duì)比圖7和圖8分別為協(xié)調(diào)控制前、后發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)和電機(jī)工作點(diǎn)對(duì)比結(jié)果。從圖7和圖8可看出，協(xié)調(diào)控制后發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)和電機(jī)的工作點(diǎn)均有所提高，表明經(jīng)協(xié)調(diào)控制后發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的效率更高，經(jīng)濟(jì)性更好。

圖7　協(xié)調(diào)控制前、后發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)對(duì)比

圖8　協(xié)調(diào)控制前、后電機(jī)工作點(diǎn)對(duì)比

4.3.3協(xié)調(diào)控制前、后電池SOC變化情況對(duì)比

本文采用SOC值與平衡值SOCm之差的均值ΔSOCm作為電池能量平衡性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，且定義ΔSOCm的變化范圍不超過(guò)5％，若ΔSOCm變化超過(guò)該范圍，說(shuō)明該工況下車輛SOC的自平衡性不滿足要求［14］。圖9為協(xié)調(diào)控制前、后電池SOC變化情況對(duì)比結(jié)果。從圖9可看出，SOC平衡值為0.6，結(jié)合試驗(yàn)中各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出協(xié)調(diào)控制前、后的ΔSOCm，分析計(jì)算結(jié)果可知，ΔSOCm從協(xié)調(diào)控制前的6％降至協(xié)調(diào)控制后的3％，達(dá)到允許范圍。可見(jiàn)，經(jīng)協(xié)調(diào)控制后，電池SOC值被維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，動(dòng)力電池亦具有較高的充放電效率，有利于延長(zhǎng)電池壽命。

圖9　協(xié)調(diào)控制前、后SOC變化情況對(duì)比

5　臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證與評(píng)價(jià)在工作狀態(tài)連續(xù)切換過(guò)程中多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制策略的有效性，利用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)應(yīng)用協(xié)調(diào)控制策略前、后的3種典型循環(huán)工況的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試工況分別為美國(guó)US06測(cè)試循環(huán)（工況Ⅰ）、FTP測(cè)試循環(huán)（工況Ⅱ）和歐洲NEDC測(cè)試循環(huán)（工況Ⅲ）。試驗(yàn)時(shí)選取車速差均值作為整車動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取百公里油耗作為整車經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取電池SOC變化均值作為電池SOC平衡性評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取NOx、CO和HC排放數(shù)據(jù)作為排放性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。協(xié)調(diào)控制前、后各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果如表1所列。由表1可知，經(jīng)協(xié)調(diào)控制后，整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、SOC平衡性及排放特性均比優(yōu)化控制前有所提高，表明了所建立的協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

表1　不同工況下多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車狀態(tài)切換過(guò)程中車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、電池SOC平衡性及排放性能的多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，從數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制算法研究、整車控制器硬件電路總體方案設(shè)計(jì)、硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)等多角度對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力客車多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究，并基于所設(shè)計(jì)的dSPACE硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)所研究的協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制策略后，整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、SOC平衡性及排放特性均得到了明顯改善，證明了該多目標(biāo)綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)的可行性與有效性。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月26日。

主題詞:并聯(lián)混合動(dòng)力汽車綜合協(xié)調(diào)控制硬件在環(huán)仿真

Research on Comprehensive Coordination Control Technology for Parallel Hybrid Electric Vehicle

Zhang Yun1,2, Hou Lihua1, Bi Mingxuan3, Liang Chunhui1
（1.Changchun Institute of Technology, Changchun 130012; 2. State Key Laboratory of Automobile Simulation & Control, Jilin University, Changchun 130021）

【Abstract】For multi-objective comprehensive coordination control of parallel hybrid electric vehicle（PHEV）during operating state switching, multi-objective comprehensive coordination control technology is studied in many aspects, and a HEV multi-objective comprehensive coordination control system vehicle control model is built, and HEV vehicle controller hardware circuit overall design is proposed. In addition, HEV multi-objective comprehensive coordination control system hardware in the loop simulation platform is constructed. Based on the hardware in the loop simulation platform and the experimental bench, the vehicle power, economy, SOC balance and emission characteristics before and after the application of multi- objective comprehensive coordination control technology are compared and analyzed comparatively, and effectiveness of the multi-objective comprehensive coordination control technology is proved.

Key words:Parallel hybrid electric vehicle, Comprehensive coordination control, Hardware in the Loop Simulation

*基金項(xiàng)目：吉林省科技廳基金（201205046）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51276079）。

中圖分類號(hào):U469.72；TK401

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）04-0036-05